李婷婷,黃相中,郭俊明,彭金輝

(云南民族大學,民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室,云南昆明 650500)

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微波膨化白茅根工藝的優(yōu)化

李婷婷,黃相中,郭俊明,彭金輝*

(云南民族大學,民族藥資源化學國家民委-教育部重點實驗室,云南昆明 650500)

在單因素實驗的基礎上,以長度、含水量、微波功率和微波時間為考察因子,以綜合得分為評價指標進行實驗設計,利用響應曲面分析法對微波膨化白茅根的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。結合實際條件,得到最優(yōu)工藝參數(shù)為:長度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化時間21 s。在此條件下得到的白茅根綜合得分為8.15,多糖含量增加了15%。

白茅根,微波膨化,響應曲面法,多糖

白茅根(ImperatacylindricaBeauv. var. major(Nees)C. E. Hubb.)為禾本科植物白茅的干燥根莖,主要活性成分包括糖類、三萜類、內酯類和有機酸類等,其中以多糖為主,具有清熱、涼血和止血的功效[1-2]。近年來又發(fā)現(xiàn)白茅根多糖具有免疫調節(jié)和抗氧化作用[3-4]。白茅根應用廣泛,價格低廉,具有極大的藥用與食用價值[5-6]。

微波膨化的基本原理,是物料吸收微波,快速加熱,使得物料中的水分迅速蒸發(fā)汽化,產生很高的內部壓力,造成質構變形、組織膨松、體積膨脹,產生膨化效應[7-8]。微波膨化過程中產生的巨大內部壓力還可使細胞壁破裂,細胞內的有效成份容易滲出[9]。該技術已在藥食同源的材料上有所應用[10-13],但是尚未見有關微波膨化白茅根的報道。目前白茅根加工還停留在較傳統(tǒng)的工藝水平上,操作繁瑣,質量參差不齊,有效成分容易流失[14-15]。

本文主要研究微波膨化白茅根的工藝,以綜合得分為考察指標,在探討單因素影響的基礎上,采用響應曲面法進行優(yōu)化,比較膨化前后多糖含量,研究微波膨化對主要活性成分多糖含量的影響。以期生產出高品質的白茅根制品,為豐富和發(fā)展白茅根的加工技術及其質量研究提供一定的理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

鮮白茅根市售;無水葡萄糖、苯酚、濃硫酸和乙醇均為分析純。

M-NJL07-3實驗微波爐北京中西遠大科技有限公司;AR224CM電子分析天平上海有限公司;DHG-9070電熱恒溫鼓風干燥箱上海一恒科學儀器有限公司;Agilent 8453紫外可見分光光度計安捷倫科技有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1工藝流程原料→挑選→切分(切成不同長度)→干燥(在鼓風干燥箱中,60 ℃干燥至一定水分含量)→微波膨化→二次干燥(在鼓風干燥箱中,45 ℃保持4 h)→冷卻

1.2.2單因素實驗設計設定白茅根長度為3 cm、含水量15%、微波功率670 W、微波時間20 s,改變其中一個條件,同時其它條件不變,分別考察白茅根長度(1、3、5、7、9 cm)、含水量(5%、10%、15%、20%、25%)、微波功率(430、550、670、790 W)、微波時間(10、20、30、40、50 s)對產品綜合得分的影響。

1.2.3微波膨化白茅根工藝優(yōu)化的實驗設計根據Box-Behnken實驗設計原理,以綜合得分為考查指標,在單因素實驗的基礎上,選取長度、水分含量、微波功率和微波時間4個影響因素,采用4因素3水平的響應曲面實驗,進而工藝優(yōu)化。實驗因素與水平設計見表1。

表1　響應曲面法因素水平

1.2.4指標測定方法

1.2.4.1水分含量測定采用恒重法[16-17]。計算公式如下：

含水量(%)=干燥前物料質量-干燥恒重后的物料質量/干燥前物料質量×100

1.2.4.2膨化率的測定采用文獻[18-19]的方法，計算公式如下：

1.2.4.3綜合得分加工后的白茅根由10名評分員組成的感官評定小組按照表2的評分標準進行評價。

表2　綜合得分評定標準

1.2.4.4白茅根多糖提取及含量測定采用王瑩[20]等確立的白茅根最佳提取工藝及含量測定方法,得到膨化前后白茅根多糖含量,重復測定3次,求平均值。

1.2.5數(shù)據處理單因素實驗使用Microsoft Excel 2007軟件進行分析,響應曲面實驗用Design-Expert8.0軟件進行分析。

2　結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1白茅根長度對綜合得分的影響由圖1可知,隨著白茅根長度的增加,其綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當長度為3 cm時,綜合得分最高。若長度太短,升溫脫水過快,后續(xù)吸收微波能力減弱,導致膨化率低、香味不足。長度太長時,阻礙水蒸汽蒸發(fā),膨化不充分,導致表面不平整、膨化率低、香味不足、綜合得分低。

圖1　白茅根長度對綜合得分的影響Fig.1　Effect of length on comprehensive score

2.1.2含水量對綜合得分的影響由圖2可知,隨著白茅根水分含量的增加,其綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當水分含量為15%時,綜合得分最高。水分含量過低,物料內部不能形成足夠的蒸汽壓,膨化率低,且易出現(xiàn)過焦糊。水分含量過高,水分排除不夠充分,阻礙膨化,膨化率低,產品容易塌陷回縮,綜合得分低[21]。

圖2　含水量對綜合得分的影響Fig.2　Effect of moisture content on comprehensive score

圖3　微波功率對綜合得分的影響Fig.3　Effect of microwave power on comprehensive score

2.1.3微波功率對綜合得分的影響由圖3可知,隨著微波功率的增加,白茅根的綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在675 W達到最大值。當微波功率低于670 W時,脫水速度和效率低,不利于膨化,導致表面不平整、膨化率低、香味不足;當微波功率高于670 W時,速度過快,膨脹過程較難控制,膨脹后有焦糊現(xiàn)象。

2.1.4微波時間對綜合得分的影響由圖4可知,隨著膨化時間的增加,白茅根的綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當微波時間為20 s時,綜合得分最高。這主要是因為當膨化時間小于20 s時,膨化不夠,表面不平整,質地堅硬、香味不足;當膨化時間大于20 s時,時間過長,膨脹后出現(xiàn)焦糊、糊味。

圖4　微波時間對綜合得分的影響Fig.4　Effect of time on comprehensive score

2.2微波膨化白茅根工藝優(yōu)化結果

響應曲面分析的實驗設計及結果見表3。

2.2.1回歸方程的建立以白茅根的綜合得分為因變量,可得擬合回歸方程:Y(綜合得分)=8.19+0.44X1+0.57X2+0.37X3+0.32X4+0.40X1X2+0.25X1X3+0.18X1X4+0.12X2X3-0.055X2X4+0.075X3X4-1.72X12-1.66X22-1.35X32-1.96X42。

2.2.2響應面方差分析及交互作用響應曲面實驗方差分析結果見表4。

由表4可知,模型方差分析表明模型是極顯著的(p<0.0001),失擬項不顯著,且模型的擬合度較好(R2=0.9747),說明以上方程可預測白茅根的綜合得分。

由表4中p值可以看出,一次項中長度(X1)、含水量(X2)、微波功率(X3)和微波時間(X4)對綜合得分的影響極顯著;交互項中X1X2偏回歸系數(shù)<0.05,說明長度和含水量的交互作用對綜合得分的大小影響顯著;二次項中X12、X22、X32和X42對綜合得分影響極顯著,其他各項對綜合得分的影響均未達到顯著水平。

圖5顯示在微波功率為670 W,微波時間為20 s時,長度和含水量對白茅根綜合得分的交互作用顯著。在含水量一定的情況下,隨著長度的增加,綜合得分先增大后減小;在長度一定時,隨著含水量的增加先增大后減小,當長度為3 cm,含水量為15%時綜合得分達到最高。分析其原因是適中的長度和含水量有利于微波的能量充分作用到物料內部,膨化充分,從而使綜合得分增加。

表3　響應面分析實驗設計及結果

圖5　含水量與長度對白茅根綜合得分的響應面分析Fig.5　The response surface analysis of the length and water content to comprehensive score of imperata cylindrica

2.3最佳膨化工藝參數(shù)與綜合得分的預測

根據回歸模型和Design-Expert8.0軟件分析,白茅根膨化最佳條件為:長度3.33 cm、水分含量15.98%、微波功率689.44 W和膨化時間20.90 s,預測的綜合得分為8.33。為便于實際操作,將白茅根膨化最佳條件調整為:長度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化時間21 s。在此條件下重復實驗3次,得到白茅根平均綜合得分為8.15,與預測值相比其相對誤差為2.16%,該方程與實際擬合很好,可以預測實際生產中的白茅根的綜合得分。

表4　響應面實驗方差分析表

注:**為極顯著(p<0.01),*為顯著(p<0.05)。

2.4膨化前后多糖含量比較

用紫外分光光度計測定多糖含量,微波膨化前后多糖含量分別為1.22%和1.44%,膨化后多糖含量增加了15%,表明膨化有利于多糖的提取,原因可能是水分子吸收微波后,迅速升溫汽化,在蒸汽膨脹動力帶動下可以使白茅根細胞壁破碎,使胞外溶劑容易進入胞內溶解并釋放出有效成分,胞內有效成分更容易溶出,因而含量增高[22]。

3　結論

利用響應曲面法對微波膨化白茅根的工藝條件進行優(yōu)化,得到最佳工藝參數(shù)為:長度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化時間21 s,在此條件下,得到白茅根的綜合得分為8.15。膨化加工后多糖含量增加了15%。由此得出,白茅根在微波膨化加工后,不但體積膨脹,質地疏松,香味濃郁,而且主要有效成分多糖含量增加,得到了質量較好的白茅根膨化制品,為白茅根加工提供了一種新的方法。

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Process optimization of imperata cylindrica by microwave puffing

LI Ting-ting,HUANG Xiang-zhong,GUO Jun-ming,PENG Jin-hui*

(Key Laboratory of Chemistry in Ethnic Medicinal Resources,State Ethnic Affairs Commission and Ministry of Education of China,Yunnan Minzu University,Kunming 650500,China)

Based on the single factor experiments,length,water content,microwave power and puffing time were trial factors,the comprehensive score was the response value,the optimum process conditions were obtained by response surface methodology. Combined with the actual conditions,the result showed that the optimum process parameters were 3.3 cm,16.0%,690 W and 21 s for length,water content,microwave power and puffing time,respectively. The comprehensive score was 8.15 and the content of polysaccharide was increased by 15% under the optimized conditions.

imperata cylindrica;microwave puffing;response surface methodology;polysaccharide

2015-10-22

李婷婷(1990-),女,碩士研究生,研究方向:微波膨化工藝,E-mail:271001283@qq.com。

彭金輝(1964-),男,博士,教授,研究方向:微波冶金,E-mail:jhpeng@kmust.edu.cn。

云南民族大學研究生創(chuàng)新基金項目(2015XJSXY271)。

TS255.36

A

1002-0306(2016)10-0303-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.053